若函数f(x)f\left( x \right)在定义域DD内的某个区间II上是增函数,且F(x)=f(x)xF\left( x \right)=\dfrac{f\left( x \right)}{x}在II上也是增函数, 则称 y=f(x)y=f\left( x \right) 是 II 上的“完美函数”.已知g(x)=ex+x−ln⁡(x)+1g(x)=e^{x}+x-\ln \left(x\right) +1 ,若函数 g(x)g\left( x \right) 是区间 [m2,+∞)\left[ \dfrac{m}{2},+\infty \right) 上的“完美函数”,则整数 mm 的最小值为___.

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完整解法

1. 由“完美函数”的定义将问题转化为求导数不等式的恒成立问题

根据定义,若 g(x)g(x) 在 [m2,+∞)\left[ \dfrac{m}{2},+\infty \right) 上是“完美函数”,则 g(x)g(x) 和 G(x)=g(x)xG(x)=\dfrac{g(x)}{x} 在 [m2,+∞)\left[ \dfrac{m}{2},+\infty \right) 上均单调递增。
因此,在区间 [m2,+∞)\left[ \dfrac{m}{2},+\infty \right) 上,g′(x)≥0g'(x) \ge 0 且 G′(x)≥0G'(x) \ge 0 恒成立。

2. 分析 $g(x)$ 的单调性,确定 $g'(x) \ge 0$ 的区间范围

求导得 g′(x)=ex+1−1xg'(x) = e^x + 1 - \dfrac{1}{x} (x>0x > 0)。
由于 g′′(x)=ex+1x2>0g''(x) = e^x + \dfrac{1}{x^2} > 0,故 g′(x)g'(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增。
又 g′(12)=e−1>0g'\left(\dfrac{1}{2}\right) = \sqrt{e} - 1 > 0,所以当 x≥12x \ge \dfrac{1}{2} 时,g′(x)>0g'(x) > 0。
因此,g(x)g(x) 在 [12,+∞)\left[\dfrac{1}{2}, +\infty\right) 上单调递增。所以要使 g(x)g(x) 在 [m2,+∞)\left[\dfrac{m}{2}, +\infty\right) 上单调递增,只需 m2≥12\dfrac{m}{2} \ge \dfrac{1}{2} 即 m≥1m \ge 1。

3. 求 $G(x)$ 的导数,将其单调递增转化为研究分子函数 $h(x)$ 的正负

计算 G(x)=ex+x−ln⁡x+1xG(x) = \dfrac{e^x + x - \ln x + 1}{x} 的导数:
G′(x)=g′(x)x−g(x)x2=x(ex+1−1x)−(ex+x−ln⁡x+1)x2=(x−1)ex+ln⁡x−2x2G'(x) = \frac{g'(x)x - g(x)}{x^2} = \frac{x(e^x + 1 - \frac{1}{x}) - (e^x + x - \ln x + 1)}{x^2} = \frac{(x-1)e^x + \ln x - 2}{x^2}
令 h(x)=(x−1)ex+ln⁡x−2h(x) = (x-1)e^x + \ln x - 2 (x>0x > 0)。
若 G(x)G(x) 在 [m2,+∞)\left[\dfrac{m}{2}, +\infty\right) 上单调递增,则在该区间内 h(x)≥0h(x) \ge 0 恒成立。

4. 分析 $h(x)$ 的单调性,利用零点存在定理估算其零点范围

求导得 h′(x)=ex+(x−1)ex+1x=xex+1xh'(x) = e^x + (x-1)e^x + \dfrac{1}{x} = xe^x + \dfrac{1}{x}。
当 x>0x > 0 时,h′(x)>0h'(x) > 0,所以 h(x)h(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上单调递增。
代入特殊值估算:
h(1)=−2<0h(1) = -2 < 0,
h(32)=12e3/2+ln⁡32−2≈12×4.48+0.405−2=0.645>0h\left(\dfrac{3}{2}\right) = \dfrac{1}{2}e^{3/2} + \ln\dfrac{3}{2} - 2 \approx \dfrac{1}{2} \times 4.48 + 0.405 - 2 = 0.645 > 0。
根据零点存在定理,h(x)h(x) 在 (0,+∞)(0, +\infty) 上有唯一零点 x0x_0,且 x0∈(1,32)x_0 \in \left(1, \dfrac{3}{2}\right)。
当 x≥x0x \ge x_0 时,h(x)≥0h(x) \ge 0,此时 G′(x)≥0G'(x) \ge 0。

5. 综合条件,确定整数 $m$ 的最小值

为了使 g(x)g(x) 与 G(x)G(x) 在 [m2,+∞)\left[\dfrac{m}{2}, +\infty\right) 上均单调递增,需要:
m2≥x0\dfrac{m}{2} \ge x_0 且 m2≥12\dfrac{m}{2} \ge \dfrac{1}{2}。
因为 x0>1>12x_0 > 1 > \dfrac{1}{2},所以只需 m2≥x0\dfrac{m}{2} \ge x_0,即 m≥2x0m \ge 2x_0。
已知 1<x0<321 < x_0 < \dfrac{3}{2},所以 2<2x0<32 < 2x_0 < 3。
由于 mm 为整数,因此 mm 的最小值为 33。

答案

3

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